CN111746824A - 一种缓冲/行走一体化六足着陆器及其步态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缓冲/行走一体化六足着陆器及其步态控制方法，属于深空星表探测机构技术领域，该发明由机械结构、控制系统和步态规划三部分构成，兼具稳定着陆和灵活漫游两种功能。机械结构由一个六棱台式本体和六条按正六边形中心对称分布的缓冲/驱动集成式三自由度腿足机构组成；控制系统由主控模块和专用运动控制器组成，用于对各缓冲/驱动集成式三自由度腿足机构中的各个驱动电机进行位置控制，以实现着陆器的准静态行走；步态规划采用与六足构型更加匹配且稳定高效的“3‑3”步态，通过各缓冲/驱动集成式三自由度腿足机构的运动控制实现本体质心平缓的起伏轨迹。
Description
技术领域
本发明属于深空星表探测机构技术领域，为一种缓冲/行走一体化六足着陆器及其步态控制方法，具体为一种缓冲/行走一体化六足着陆器及其本体质心低起伏步态控制方法，具有星表软着陆和全向移动两种功能。
背景技术
近年来，深空探测已经成为国际研究热点，取得了一系列成果。在未来深空探测领域的代表性任务有：面向月球/火星的载人登陆和星表基地建设等。其中，星表安全着陆和星表漫游巡视作为最重要的环节，直接决定了任务的成败。
在星表安全着陆方面，目前，国内外普遍采用的传统腿足式构型的缓冲着陆装置，着眼点仅限于安全稳定地实现落震吸能，存在着陆时无法主动或半主动适应着陆点地形地貌、着陆后不可调姿更不可移动的局限性，使得着陆点必须处于远离星表物质出露最丰富的断崖和陨石坑边缘的相对平坦的区域，且无法在着陆后将大强度任务所必需的人员、舱段、物资等转运至星表基地建造地点或者目标探测区域，严重制约了深空星表探测技术的发展和科学汇报效益的提高，无法满足未来载人登陆、星表基地建设等任务的要求。
在星表灵活漫游方面，目前，国内外尚未有成功的航天任务案例，只在理论研究和工程设计方面，进行了一些探索性的研究。例如，北京航空航天大学设计了“一种六足万向行走的多功能月球探测机器人”，采用较为复杂的轮腿式结构实现灵活的月面移动，但其构型受限无法安装大量科学载荷，且不具备柔顺缓冲功能；南京航空航天大学设计了“一种可移动月面软着陆装置”，能够实现月面软着陆和月面行走，但未涉及步态规划和运动控制方法，且四足构型的运动控制策略较为复杂，不利于保证在非确知月面环境下的步态稳定性；此外，在机器人领域，现有的六足行走构型可分为串联式和并联式，其中并联式构型在移动过程中，腿杆长度通常无法随着步态周期协调变化，从而导致本体质心在竖直方向产生较大起伏，不利于实现节能的动力学特性，也不利于实现平稳安全的星表移动，而串联式构型实现本体质心低起伏需要进行复杂的多关节协调控制，比较复杂，不利于保证星表移动机构的性能可靠性，综上，现有星表着陆缓冲装置在星表安全着陆和灵活漫游等方面的技术存在诸多局限性。
本发明通过将传统六足悬臂式着陆缓冲机构和机器人运动学交叉融合的方式，将单条腿足简化为三自由度机械臂，推导其正逆运动学，解算出其本体质心低起伏步态行走过程中，各关节需要转动的角度，再由几何法将其映射到并联构型中各驱动的伸缩长度，从而使该六足着陆器可以主动或半主动地适应着陆点地形地貌，并在行走过程中可保证本体质心处于低起伏状态，提高了星表着陆任务的安全性、稳定性和灵活性。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺陷，公开了一种缓冲/行走一体化六足着陆器，以及该着陆器的控制系统和步态规划三部分，本发明本体质心低起伏步态提高了该着陆器对星表非结构性环境的适应能力和运动平顺性，且兼具稳定着陆和灵活漫游两种功能。
本发明是这样实现的：
本发明公开的一种缓冲/行走一体化六足着陆器包括六棱台式本体以及本体上对称设置的六条悬臂式腿足，腿足采用悬臂式构型，兼具缓冲与驱动功能。六条腿足在结构上完全相同且中心对称，每条腿足均由包括左右对称设置的左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱，所述的主缓冲支柱、左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱均兼具缓冲与驱动功能。每条腿足均可进行有效地缓冲吸能，内置蜂窝铝材料具有质量轻、吸能效率高的特点，可在短时间内吸收大的冲击载荷，实现星表柔顺软着陆。在此基础上，可对着陆器本体加装所需科学载荷或机械臂等扩展功能单机，以增强其在深空星表探测领域的功能灵活性，完成更大的科学目标；控制系统采用主控模块和专用运动控制器，用于对各电机输出PWM控制信号并实现着陆器的静步态行走。
所述的主缓冲支柱、左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱底端均连接于缓冲支柱连接件，依次通过缓冲支柱连接件、足垫连接件与足垫连接；足垫为半球状结构，可以适应崎岖地形。
所述的主缓冲支柱、左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱内部均设置有驱动装置，由驱动装置分别驱动主缓冲支柱、左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱相对运动；通过主缓冲支柱的相对运动实现单向缓冲吸能，完成星表软着陆；通过左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱的相对运动实现双向拉压缓冲。
进一步，所述的主缓冲支柱依次包括主缓冲支柱端盖、主缓冲支柱外筒、主缓冲支柱内筒；所述的主缓冲支柱外筒、主缓冲支柱内筒之间设置蜂窝铝，用于吸收冲击载荷；
所述的左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱对称设置，均依次包括辅助缓冲支柱端盖，辅助缓冲支柱外筒，辅助缓冲支柱内筒；所述的辅助缓冲支柱外筒，辅助缓冲支柱内筒之间也设置蜂窝铝，用于吸收冲击载荷；通过三组驱动装置分别置于主缓冲支柱外筒以及左、右辅助缓冲支柱内筒的内部；由驱动装置驱动完成主缓冲支柱外筒、主缓冲支柱内筒的相对运动；同样的，由驱动装置驱动完成辅助支柱外筒、辅助支柱内筒的相对运动，从而带动腿足末端运动，实现星表全向移动灵活漫游。
综上，主缓冲支柱和辅助缓冲支柱均由端盖、外筒、内筒和驱动装置组成，主缓冲支柱端盖通过虎克铰与本体连接，辅助缓冲支柱端盖通过球铰与本体连接，端盖与外筒之间通过螺栓连接。主缓冲支柱与辅助缓冲支柱之间通过一个固定端子连接，固定端子通过螺栓固定连接在主缓冲支柱上，通过球铰与辅助缓冲支柱连接。主缓冲支柱和辅助缓冲支柱的内外筒可相对运动，内筒与外筒的间隙内放置有蜂窝铝，通过蜂窝铝受压变形来吸收冲击能量，完成星表软着陆。驱动装置安装在内筒里面，当软着陆完成之后，驱动装置带动内筒运动，实现腿足末端的运动，从而完成静步态行走。腿足末端的三维力传感器可以感知每条腿足的受力状态，从而判断足垫是否处于悬空状态。判断值将会作为控制系统的输入，以调整各个驱动装置的动作。
进一步，所述的本体与主缓冲支柱间通过胡克铰连接；所述的本体与左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱之间通过球铰连接件连接；每条腿足具有三个自由度，即以胡克铰为转动的两个自由度和以主缓冲支柱伸缩的一个自由度；其中，两个转动自由度由左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱的伸缩变化实现，一个伸缩自由度由主缓冲支柱伸缩实现。
进一步，所述的驱动装置均由缓冲支柱驱动装置直流电机、缓冲支柱驱动装置制动器、减速器和缓冲支柱驱动装置滚珠丝杠组成；所述的缓冲支柱驱动装置制动器安装于缓冲支柱驱动装置直流电机的尾部，实现断电自锁；减速器安装于缓冲支柱驱动装置直流电机输出轴上，用于增大扭矩；缓冲支柱驱动装置滚珠丝杠与减速器同轴连接，用于将角位移转换为线位移；腿足末端与足垫连接处装有三维力传感器，用于可检测足垫和地面之间的接触状态。
本发明还公开了一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，所述的控制方法为对缓冲/行走一体化六足着陆器的本体质心低起伏步态的控制方法，该控制方法通过主控模块、电机控制模块、驱动装置、星表环境采集模块实现；
所述的主控模块位于着陆器本体内，其中，主控模块位于着陆器本体内，用于处理传感器反馈信息、发送指令到电机控制模块、控制驱动装置运动以及完成各模块协调工作。主控模块能够实时处理传感器采集地形信息，进行步态解算，将着陆器的期望运动位置解算成每个驱动器所需运动的位移量，然后将该位移量转换成直流电机所能接收的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，通过改变PWM信号的频率来控制电机转速，改变PWM信号作用时间来控制驱动装置位移量，从而实现对每个腿足的精确控制。
所述的电机控制模块用于接收主控模块的控制命令并解析成PWM信号发送至各驱动装置地缓冲支柱驱动装置直流电机，从而驱动腿足末端运动；
所述的星表环境采集模块实时采集六足着陆器所在区域的环境信息，并反馈到主控模块，主控模块将采集到的环境信息即模拟信号存储为数字信号，从而为六足着陆器的导航和最短路径行走提供较好的数据。
进一步，六组腿足采用3-3行走步态，即腿足1、3、5为一组，腿足2、4、 6为一组交替摆动，即可完成三个方向的运动。具体为：腿足1、3、5和腿足2、 4、6沿1-4连线方向摆动时，可完成1-4连线方向的前进与后退；腿足1、3、5 和腿足2、4、6沿2-5连线方向摆动时，可完成2-5连线方向的前进与后退；腿足1、3、5和腿足2、4、6沿3-5连线方向摆动时，可完成3-6连线方向的前进与后退，从而实现星表全向移动。在3-3步态行走过程中，由于任何时间始终有3条腿足位于星表，且着陆器重心在星表投影点始终位于3条腿足构成的支撑三角形内，因此在行走过程中较为稳定，不易发生倾覆。传统六足机器人在行走过程中，由于崎岖环境导致腿足末端位置不断变化，容易带来本体质心的上下浮动，一般呈现周期性的振荡，本发明中，通过调节主缓冲支柱内驱动装置的位移变化量，保证本体质心始终水平，从而充分适应星表复杂环境，完成星表低起伏运动，有利于本体内科学仪器的正常工作以及后续载人行走过程中的平顺稳定。
六组腿足机构末端，即足垫与腿足机构之间的球铰关节中心点相对着陆器本体的位置运动变化是通过主缓冲支柱和左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱的长度变化来实现，主缓冲支柱和左辅助缓冲支柱、右辅助缓冲支柱的长度变化均通过安装于其内部的驱动装置来实现；
在实现静步态行走的过程中，通过腿足机构末端三维力传感器的反馈，判断当前腿足处于支撑还是悬空状态，然后动态调节主缓冲支柱的伸缩长短以适应星表起伏环境，从而实现本体质心竖直方向下上的低起伏行走；具体的，所述的主控模块的步态解算具体步骤为：
步骤一、以着陆器本体质心为原点，建立坐标系O1；
步骤二、输入足垫末端的期望位姿矩阵，由逆运动学求解可得到各关节角的变化量；
步骤三、将各关节角变化量代入正运动学进行求解，可以得到足垫末端的位置变化量；
步骤四、通过“串联—并联”映射方式，将足垫末端位置变化量作为输入，可以得到各驱动装置的伸缩量。
进一步，所述的步骤二采用基于改进遗传算法的求解方法，具体为：
2.1、构造所需求解的目标函数，即以腿足机构末端(即O3-X3Y3Z3坐标系的原点O3)相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前位姿矩阵与期望位姿矩阵之间差值为目标函数；
2.2、初始化种群，将两个转动关节(即分别为坐标系O1-X1Y1Z1的Z1轴和O2-X2Y2Z2的Z2轴)的转动变量和一个伸缩关节(坐标系O3-X3Y3Z3的原点O3和O2-X2Y2Z2的原点O2之间的距离)的伸缩位移定义为三个种群，并随机化其初始值；
2.3、个体评价，将各种群内所有个体进行适应度计算并排序；
2.4、选择、交叉、变异运算，产生新的个体；
2.5、选择最优个体保存至精英种群；
2.6、重复迭代上述步骤，直到迭代次数达到设定值；
2.7、输出最优个体。
进一步，所述的逆运动学推导过程中，构造F(x)函数，如下：
F(x)＝||Pc-Pd||
其中，
将其分解为两个线性方程组f1(x)和f2(x)，如下：
其中，F(x)为目标函数，Pc为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前位姿矩阵，Pd为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的期望位姿矩阵，R3×3，c为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前姿态矩阵，R3×3，d为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的期望姿态矩阵，pc为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前位置矢量，pd为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的期望位置矢量，Δp为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前位置矩阵与期望位置矩阵的差值，ΔR3×3为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵的差值。
各关节变量边界条件设置如下：
构建适应度函数为：
其中，α和β分别为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的姿态矩阵和位置矢量的权值系数，ΔR3×3和Δp分别代表姿态矩阵和位置矢量；
进化结束后，输出最优解为：
X(q)＝a1a2a3...an
式中，X(q)为具有最优适应度值的个体，a1a2a3...an为其编码值，将 a1a2a3...an替换为实数即可得到所求最优解。
进一步，所述的步骤三中正运动学求解中，建立各关节坐标变换矩阵为：
其中，θ1、θ2分别代表转动关节1(坐标系O1-X1Y1Z1的Z1轴)和转动关节2(坐标系O2-X2Y2Z2的Z2轴)的角度，d1代表伸缩关节(坐标系O3-X3Y3Z3 的原点O3和O2-X2Y2Z2的原点O2之间的距离)的位移，如此，由正运动学可以在已知θ1、θ2、d1的情况下求得腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的位姿。
进一步，所述的步骤四的“串联—并联”映射方式中，主缓冲支柱的长度(即坐标系O3-X3Y3Z3的原点O3和O2-X2Y2Z2的原点O2之间的距离)变化主要由其内部的驱动装置实现，主缓冲支柱内的驱动装置完成腿足机构末端相对于着陆器本体在竖直方向z0的位移变化，如下：
z0＝dc×cosα
上式中，α为此时主缓冲支柱与z0轴夹角；dc为主缓冲支柱当前长度；
左、右辅助缓冲支柱内的驱动装置完成长度的协同变化主要实现腿足机构末端相对于着陆器本体在水平面内x和y方向的位移变化；
在x方向上的变化可由两个辅助缓冲支柱内的驱动装置同时动作实现，根据余弦定理可知：
通过变换可得
上式中，a为两个辅助缓冲支柱与着陆器本体连接点之间的中心距离；b为主缓冲支柱与辅助缓冲支柱交点与两个辅助缓冲支柱与本体连接点中心距离的中点的距离在水平面的投影；c为第一个辅助缓冲支柱的原长；Δc为第一个辅助缓冲支柱内在驱动装置的作用下的长度位移变化量；此外，两个辅助缓冲支柱的变化量相同；
在y方向上，的变化同样由两个辅助缓冲支柱内的驱动装置动作实现，但两个变化量不同，根据面积互等定理可得，
a·b＝(c+Δc)h
h＝asinβ
上式中，β为第一个辅助缓冲支柱与y轴的夹角在水平面上的投影；
至此，即得到各腿足机构中主缓冲支柱和辅助缓冲支柱中驱动装置的伸缩位移变化量与相应腿足机构末端相对于着陆器本体的位置变化量之间的关系。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明公开了一种缓冲/行走一体化六足着陆器以及使其本体质心运动轨迹平稳的步态控制策略，该发明由机械结构、控制系统和步态规划三部分构成，兼具稳定着陆和灵活漫游两种功能。机械结构由一个六棱台式本体和六条按正六边形中心对称分布的缓冲/驱动集成式三自由度(2个转动+1个伸缩)腿足机构组成；控制系统由主控模块和专用运动控制器组成，用于对各缓冲/驱动集成式三自由度腿足机构中的各个驱动电机进行位置控制，以实现着陆器的准静态行走；步态规划采用与六足构型更加匹配且稳定高效的“3-3”步态，通过各缓冲/驱动集成式三自由度腿足机构的运动控制实现本体质心平缓的起伏轨迹。
悬臂式腿足机构使该着陆器具有大负载、高效率的搬运能力；本体质心低起伏步态提高了该着陆器对星表非结构性环境的适应能力和运动平顺性。在此基础上，通过在该着陆器本体上加装各种科学载荷或机械臂等扩展功能单机，可增强其在深空星表探测领域的功能灵活性，以达成更大的科学目标，还可扩展至救援、探测、运输等民用领域。
附图说明
图1为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的构型图；
图2为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的俯视图；
图3为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的单腿构型图；
图4为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的正视图；
图5为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的主缓冲支柱构型图
图6为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的驱动装置示意图
图7为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的辅助缓冲支柱构型图
图8为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的足垫构型图
图9为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中拟定的单腿运动学关节坐标系示意图；
图10为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中控制系统模块示意图；
图11为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中单腿尺寸示意图；
图12为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中“串联—并联”方法示意图；
图13为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中遗传算法求解逆运动学流程图；
图14为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中步态解算流程图；
图15为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中控制系统控制流程图；
1-本体，2-腿足，3-胡克铰连接件，4-胡克铰，5-球铰连接件，21-主缓冲支柱，22-左辅助缓冲支柱，23-右辅助缓冲支柱，24-缓冲支柱连接件，25-足垫连接件，26-足垫，211-主缓冲支柱端盖，212-主缓冲支柱外筒，213-主缓冲支柱内筒，214-驱动装置，221-辅助缓冲支柱端盖，222-辅助缓冲支柱外筒，223-辅助缓冲支柱内筒，2141-缓冲支柱驱动装置直流电机，2142-缓冲支柱驱动装置滚珠丝杠，2143-缓冲支柱驱动装置制动器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～8所示，为本发明一种缓冲/行走一体化六足着陆器，本发明分为机械结构、控制系统和行走策略三部分。机械结构采用六足对称分布结构，使其具有良好的稳定性和全向移动能力。
本发明的六足着陆器由六棱台式本体1和六条中心对称分布的腿足2构成。本体1主要用来连接腿足2，以及承载控制系统、科学仪器和载人。每条腿足2 由一组主缓冲支柱21和左辅助缓冲支柱22、右辅助缓冲支柱23组成，并在每组缓冲支柱内装有蜂窝铝缓冲部件和驱动装置214。驱动装置214部分，选用直流电机、制动器、减速器、电机驱动器以及滚珠丝杠。编码器选用增量型编码器。该驱动装置可通过IIC通信协议与电机控制模块完成通信，传输效率高，性能稳定；缓冲支柱驱动装置直流电机2141输出功率大，输出扭矩高，可以实现位置自锁和角度闭环。整个六足着陆器搭载18组驱动装置214，使该着陆器具有更强的星表环境适应能力和运动能力。
如图10所示，为本发明缓冲/行走一体化六足着陆器的控制方法中控制系统模块示意图；本发明使用主控机完成对电机控制模块的控制和各传感器反馈的处理。在腿足2末端与足垫26之间加装三维传感器，通过感知足垫26的受力情况来判断腿足2处于支撑还是悬空状态，通过控制主缓冲支柱21内驱动装置214 带动主缓冲支柱伸缩，使腿足2末端充分着地，可以实现腿足2的步态闭环控制。此外，六足着陆器还搭载有摄像头模组和激光雷达，可以实时监测星表当前区域内的障碍并反馈到主控模块，从而规划下一步的行走步态和行走路径，这也使得六足着陆器能够有更强的移动能力和可探测范围扩展能力。
在六足着陆器的行走过程中，主要采用3-3行走步态来实现星表的全向移动。在3-3步态行走过程中，任何时间内，始终有3条腿足位于星表处于支撑，而着陆器重心在星表投影点则始终位于3条腿足构成的支撑三角形内，因此在行走过程中平顺稳定，不易发生倾覆。本发明中，还通过调节主缓冲支柱内驱动装置的伸缩变化量，保证本体质心在水平面内上下轻微浮动，使六足着陆器在星表呈低起伏移动，从而有利于本体内各种科学仪器的正常工作以及后续载人行走过程中的平衡、稳定。由于六足着陆器的腿足中心对称，所以在移动方向上具有全向移动能力，当六足着陆器需要转向时，只需要更改每条腿足的摆动方向，即可改变整体的运动方向，具体为：腿足1、3、5和腿足2、4、6沿1-4连线方向摆动时，可完成1-4连线方向的前进与后退；腿足1、3、5和腿足2、4、6沿2-5连线方向摆动时，可完成2-5连线方向的前进与后退；腿足1、3、5和腿足2、4、6沿 3-5连线方向摆动时，可完成3-6连线方向的前进与后退，从而实现了六足着陆器的全向移动。其中，1-4连线方向、2-5连线方向、3-6连线方向之间两两相差 60度。该种全向行走方式简单易行，复杂度低，有效地保障了可实施性，提高了星表探测任务中的成功性，同时也很大程度上提高了六足机器人探测过程中灵活性，对其他六足机器人的转向运动起到了很大的借鉴性。
其中，步态解算过程主要为：
首先，输入足垫末端的期望位姿矩阵，由逆运动学求解可得到各关节角的变化量；之后，将各关节角变化量代入正运动学进行求解，可以得到足垫末端的位置变化量；最后，通过“串联—并联”映射方式，将足垫末端位置变化量作为输入，可以得到各驱动装置的伸缩量，具体如图14所示。
其中运动学方面，对单条腿足进行正逆运动学推导，建立关节坐标系如图9 所示。将胡克铰与主缓冲支柱构成的机构当做串联机械臂进行运动学建模，正运动学采用改进D-H参数法。通过正运动学求解，可以在已知各关节角变化量的情况下求出足垫末端的位姿矩阵。逆运动学采用改进遗传算法求解，可以在已知足垫末端位置的情况下求出各关节角的变化量。
正运动学推导过程中，已建立关节坐标系如图9所示，之后，建立各关节坐标变换矩阵为：
其中，θ1、θ2分别代表转动关节1和转动关节2的角度，d1代表伸缩关节的位移。至此，由正运动学可以在已知关节变化的情况下求得腿足机构末端的位姿矩阵。
逆运动学推导过程中，采用基于改进遗传算法的求解方法，其流程如图13 所示。其中构造目标函数F(x)为：
F(x)＝||Pc-Pd||
将其分解为两个线性方程组f1(x)和f2(x)，如下：
其中，F(x)为目标函数，Pc为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前位姿矩阵，Pd为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的期望位姿矩阵，R3×3，c为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前姿态矩阵，R3×3，d为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的期望姿态矩阵，pc为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前位置矢量，pd为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的期望位置矢量，Δp为腿足机构末端相对于本体基础坐标系 O0-X0Y0Z0的当前位置矩阵与期望位置矩阵的差值，ΔR3×3为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵的差值。
各关节变量边界条件设置如下：
最后，构建适应度函数为：
α和β分别为姿态矩阵和位置矢量的权值系数，ΔR3×3和Δp分别代表姿态矩阵和位置矢量。
进化结束后，输出最优解为
X(q)＝a1a2a3...an式中，X(q)为具有最优适应度值的个体，a1a2a3…an为其编码值，将a1a2a3…an替换为实数即可得到所求最优解。
改进D-H参数法中，每个连杆的坐标系都被固接到该连杆的近端(靠近前一个连杆)，而不是其远端。该方法使得参数符号表达更加清晰简洁。改进遗传算法中，运用模拟退火算法思想对种群突变概率进行改进，运用自适应算法思想对种群变异概率进行改进，使其不易陷入局部最优解，更容易找到全局最优解。
其中“串联-并联”映射方式中，腿足末端的位置变化主要由主缓冲支柱和辅助缓冲支柱中的驱动装置实现，主缓冲支柱内的驱动装置主要完成竖直方向的位移变化
z＝dc×cosα
α为此时主缓冲支柱与Z轴夹角，dc为当前主缓冲支柱的长度；
两个辅助缓冲支柱内的驱动装置完成水平面内x和y方向的位移变化。
x方向的变化可由两个辅助缓冲支柱内的驱动装置同时动作实现，根据余弦定理可知，
通过变换可得
上式中，a为两个辅助缓冲支柱与着陆器本体连接点之间的中心距离；b为主缓冲支柱与辅助缓冲支柱交点与两个辅助缓冲支柱与本体连接点中心距离的中点的距离在水平面的投影；c为第一个辅助缓冲支柱的原长，Δc为第一个辅助缓冲支柱内在驱动装置作用下的长度的位移变化量。此外，两个辅助缓冲支柱的变化量相同。
在y方向上，的变化同样由两个辅助缓冲支柱内的驱动装置动作实现，但两个变化量不同，根据面积互等定理可得，
a·b＝(c+Δc)h
h＝asinβ
β为第一个辅助缓冲支柱与y轴的夹角在水平面上的投影。
至此，就得到了各腿足机构中主缓冲支柱和辅助缓冲支柱中驱动装置的伸缩量与相应腿足机构末端相对于着陆器本体的位置变化之间的关系，其中各变量定义如图11～12所示。
在六足着陆器采用低起伏步态策略行走时，星表环境采集模块、摄像头模块、激光雷达模块传回所在区域地形数据及障碍物信息，包括起伏较大的凸起或深坑、尺寸较大的障碍物，障碍物距六足着陆器距离等。这些数据信息反馈至主控模块，主控模块解算该数据信息，并和已设定的安全阈值作比较，当解算信息小于安全阈值时，六足着陆器选择跨越障碍物行进；当解算信息大于安全阈值时，六足着陆器选择绕过障碍物行进。此外，根据解算信息，主控模块将实时更新六足着陆器的位置和姿态信息，并进行最优路径规划，指导着陆器以最佳路线行进。此外，为适应复杂星表环境进行移动，主控模块在预先接收区域地形数据的基础上，结合腿足末端的三维力传感器，动态调整主缓冲支柱的伸缩长度，从而实时地适应星表的高低起伏，保证本体质心处于低起伏状态。主控模块进行最优路径规划后，再将控制命令发送到电机控制模块，电机模块进一步解析指令并以PWM信号的方式输出到电机，从而控制电机按照指令命令动作，使六足着陆器完成移动，控制流程图如图15所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种缓冲/行走一体化六足着陆器，其特征在于，所述的着陆器包括六棱台式本体(1)以及本体(1)上对称设置的六条悬臂式腿足(2)；所述的每条腿足(2)包括一组主缓冲支柱(21)，以及主缓冲支柱(21)左右对称设置的左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)，所述的主缓冲支柱(21)、左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)均兼具缓冲与驱动功能；
所述的主缓冲支柱(21)、左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)底端均连接于缓冲支柱连接件(24)，依次通过缓冲支柱连接件(24)、足垫连接件(25)与足垫(26)连接；
所述的主缓冲支柱(21)、左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)内部均设置有驱动装置(214)，由驱动装置(214)分别驱动主缓冲支柱(21)、左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)相对运动；
通过主缓冲支柱(21)的相对运动实现单向缓冲吸能，完成星表软着陆；通过左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)的相对运动实现双向拉压缓冲。
2.根据权利要求1所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器，其特征在于，所述的主缓冲支柱(21)依次包括主缓冲支柱端盖(211)、主缓冲支柱外筒(212)、主缓冲支柱内筒(213)；所述的主缓冲支柱外筒(212)、主缓冲支柱内筒(213)之间设置蜂窝铝，用于吸收冲击载荷；
所述的左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)对称设置，均依次包括辅助缓冲支柱端盖(221)，辅助缓冲支柱外筒(222)，辅助缓冲支柱内筒(223)；所述的辅助缓冲支柱外筒(222)，辅助缓冲支柱内筒(223)之间也设置蜂窝铝，用于吸收冲击载荷；
通过三组驱动装置(214)分别置于主缓冲支柱外筒(212)以及左、右辅助缓冲支柱内筒的内部；由驱动装置(214)驱动完成主缓冲支柱外筒(212)、主缓冲支柱内筒(213)的相对运动；同样的，由驱动装置(214)驱动完成辅助支柱外筒、辅助支柱内筒的相对运动，从而带动腿足(2)末端运动，实现星表全向移动灵活漫游。
3.根据权利要求1所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器，其特征在于，所述的本体(1)与主缓冲支柱(21)间通过胡克铰(4)连接；所述的本体(1)与左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)之间通过球铰连接件(5)连接；每条腿足(2)具有三个自由度，即以胡克铰(4)为转动的两个自由度和以主缓冲支柱(21)伸缩的一个自由度；其中，两个转动自由度由左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)的伸缩变化实现，一个伸缩自由度由主缓冲支柱(21)伸缩实现。
4.根据权利要求1所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器，其特征在于，所述的驱动装置(214)均由缓冲支柱驱动装置直流电机(2141)、缓冲支柱驱动装置制动器(2143)、减速器和缓冲支柱驱动装置滚珠丝杠(2142)组成；所述的缓冲支柱驱动装置制动器(2143)安装于缓冲支柱驱动装置直流电机(2141)的尾部，实现断电自锁；减速器安装于缓冲支柱驱动装置直流电机(2141)输出轴上，用于增大扭矩；缓冲支柱驱动装置滚珠丝杠与减速器同轴连接，用于将角位移转换为线位移；腿足末端与足垫(26)连接处装有三维力传感器，用于可检测足垫和地面之间的接触状态。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，所述的控制方法为对缓冲/行走一体化六足着陆器的本体质心低起伏步态的控制方法，该控制方法通过主控模块、电机控制模块、驱动装置、星表环境采集模块实现；
所述的主控模块位于着陆器本体内，进行步态解算，进行步态处理传感器反馈信息、发送指令到电机控制模块、控制驱动装置运动以及完成各模块协调工作；
所述的电机控制模块用于接收主控模块的控制命令并解析成PWM信号发送至各驱动装置地缓冲支柱驱动装置直流电机，从而驱动腿足末端运动；
所述的星表环境采集模块实时采集六足着陆器所在区域的环境信息，并反馈到主控模块，主控模块将采集到的环境信息即模拟信号存储为数字信号，从而为六足着陆器的导航和最短路径行走提供较好的数据。
6.根据权利要求5所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，六组腿足(2)采用3-3行走步态，即腿足1、3、5为一组，腿足2、4、6为一组交替摆动，即可完成三个方向的运动；六组腿足(2)机构末端，即足垫(26)与腿足(2)机构之间的球铰关节中心点相对着陆器本体的位置运动变化是通过主缓冲支柱(21)和左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)的长度变化来实现，主缓冲支柱(21)和左辅助缓冲支柱(22)、右辅助缓冲支柱(23)的长度变化均通过安装于其内部的驱动装置(214)来实现；
在实现静步态行走的过程中，通过腿足(2)机构末端三维力传感器的反馈，判断当前腿足(2)处于支撑还是悬空状态，然后动态调节主缓冲支柱(21)的伸缩长短以适应星表起伏环境，从而实现本体(1)质心竖直方向下上的低起伏行走；
具体的，所述的主控模块的步态解算具体步骤为：
步骤一、以着陆器本体(1)质心为原点，建立坐标系O1；
步骤二、输入足垫末端的期望位姿矩阵，由逆运动学求解可得到各关节角的变化量；
步骤三、将各关节角变化量代入正运动学进行求解，可以得到足垫末端的位置变化量；
步骤四、通过“串联—并联”映射方式，将足垫末端位置变化量作为输入，可以得到各驱动装置的伸缩量。
7.根据权利要求6所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，所述的步骤二采用基于改进遗传算法的求解方法，具体为：
2.1、构造所需求解的目标函数，即以腿足机构末端(即O3-X3Y3Z3坐标系的原点O3)相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前位姿矩阵与期望位姿矩阵之间差值为目标函数；
2.2、初始化种群，将两个转动关节(即分别为坐标系O1-X1Y1Z1的Z1轴和O2-X2Y2Z2的Z2轴)的转动变量和一个伸缩关节(坐标系O3-X3Y3Z3的原点O3和O2-X2Y2Z2的原点O2之间的距离)的伸缩位移定义为三个种群，并随机化其初始值；
2.3、个体评价，将各种群内所有个体进行适应度计算并排序；
2.4、选择、交叉、变异运算，产生新的个体；
2.5、选择最优个体保存至精英种群；
2.6、重复迭代上述步骤，直到迭代次数达到设定值；
2.7、输出最优个体。
8.根据权利要求7所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，所述的逆运动学推导过程中，构造F(x)函数，如下：
F(x)＝||Pc-Pd||
其中，
将其分解为两个线性方程组f1(x)和f2(x)，如下：
其中，F(x)为目标函数，Pc为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前位姿矩阵，Pd为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的期望位姿矩阵，R3×3，c为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前姿态矩阵，R3×3，d为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的期望姿态矩阵，pc为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前位置矢量，pd为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的期望位置矢量，Δp为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前位置矩阵与期望位置矩阵的差值，ΔR3×3为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵的差值。
各关节变量边界条件设置如下：
构建适应度函数为：
其中，α和β分别为腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的姿态矩阵和位置矢量的权值系数，ΔR3×3和Δp分别代表姿态矩阵和位置矢量；进化结束后，输出最优解为：
X(q)＝a1a2a3…an
式中，X(q)为具有最优适应度值的个体，a1a2a3…an为其编码值，将a1a2a3...an替换为实数即可得到所求最优解。
9.根据权利要求6所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，所述的步骤三中正运动学求解中，建立各关节坐标变换矩阵为：
其中，θ1、θ2分别代表转动关节1(坐标系O1-X1Y1Z1的Z1轴)和转动关节2(坐标系O2-X2Y2Z2的Z2轴)的角度，d1代表伸缩关节(坐标系O3-X3Y3Z3的原点O3和O2-X2Y2Z2的原点O2之间的距离)的位移，如此，由正运动学可以在已知θ1、θ2、d1的情况下求得腿足机构末端相对于本体基础坐标系O0-X0Y0Z0的位姿。
10.根据权利要求6所述的一种缓冲/行走一体化六足着陆器的步态控制方法，其特征在于，所述的步骤四的“串联—并联”映射方式中，主缓冲支柱的长度(即坐标系O3-X3Y3Z3的原点O3和O2-X2Y2Z2的原点O2之间的距离)变化主要由其内部的驱动装置实现，主缓冲支柱内的驱动装置完成腿足机构末端相对于着陆器本体在竖直方向z0的位移变化，如下：
z0＝dc×cosα
上式中，α为此时主缓冲支柱与z0轴夹角；dc为主缓冲支柱当前长度；
左、右辅助缓冲支柱内的驱动装置完成长度的协同变化主要实现腿足机构末端相对于着陆器本体在水平面内x和y方向的位移变化；
在x方向上的变化可由两个辅助缓冲支柱内的驱动装置同时动作实现，根据余弦定理可知：
通过变换可得
上式中，a为两个辅助缓冲支柱与着陆器本体连接点之间的中心距离；b为主缓冲支柱与辅助缓冲支柱交点与两个辅助缓冲支柱与本体连接点中心距离的中点的距离在水平面的投影；c为第一个辅助缓冲支柱的原长；Δc为第一个辅助缓冲支柱内在驱动装置的作用下的长度位移变化量；此外，两个辅助缓冲支柱的变化量相同；
在y方向上，的变化同样由两个辅助缓冲支柱内的驱动装置动作实现，但两个变化量不同，根据面积互等定理可得，
a·b＝(c+Δc)h
h＝asinβ
上式中，β为第一个辅助缓冲支柱与y轴的夹角在水平面上的投影；
至此，即得到各腿足机构中主缓冲支柱和辅助缓冲支柱中驱动装置的伸缩位移变化量与相应腿足机构末端相对于着陆器本体的位置变化量之间的关系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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